大容量电动机启动对孤立小电网的影响

靳希，沙旦华，张立峰，王晓峰，厉瑜，曹炜，张菲菲

（1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海200090;2.西藏电力有限公司，西藏拉萨 850000）

大容量电动机的启动会产生较大的电流冲击，将引起较明显的电网压降［1］.对于西部某孤立小电网，大容量电动机启动对该电网压降的影响不容小觑.同时，该地区计划投入2 MW光伏电站，大容量电动机启动也可能会影响光伏并网逆变器的低电压保护设置.

本文基于电动机启动理论，对该孤立电网大容量电动机的不同启动方法进行了仿真，并对光伏电站的投入运行提出了可行性建议.

1 电动机启动理论

当供电变压器的容量较小，而输电线路较长时，过大的启动电流将产生较大的电压降，从而影响同一电网中其他电气设备的正常工作.因此，电动机启动时，一方面希望能产生足够的启动转矩，以便带动生产机械较快地达到额定转速;另一方面又希望启动电流不要太大，避免影响其他设备的运行.一台普通的鼠笼式异步电机接至电网时，若不采用任何措施而直接启动，则启动电流较大，约为额定电流的5～7倍，且启动转矩并不按启动电流的倍数增长，约为额定转矩的1～2倍.为了改善启动性能，降低启动电流冲击，常用的方法有降压启动和软启动两种［2］.其中，降压启动法包括Y-Δ启动法和自耦变压器启动法;软启动方法是指采用电力电子装置进行变频启动，或者通过增加转子回路中的电阻等方法改善启动性能.

2 电网介绍

目前，国内大规模光伏电源并网的应用实践还不多见，从系统运行的角度来研究光伏并网的影响也刚刚起步，文献［3］在一个装机容量为287 MW的电力系统中计算了光伏并网的最大允许安装容量，其计算结果表明：当光伏容量占系统总装机容量的3.6%时，光伏电站的出力扰动对系统冲击作用的影响已较为明显.因此，光伏接入孤立小电网后对其稳定运行的影响将远远超过对大电网的影响.

本文的研究对象为西部某孤立小电网，其主要电源是水电站和柴油发电厂，电网结构如图1所示.

图1 西部某孤立小电网结构

本电网中，水电站的装机容量为6.4 MW（4 ×1.6 MW），柴油发电厂的装机容量为10 MW（4 ×2.5 MW）.由于高原气候条件限制，每台柴油机冬季长期运行的最大出力为1.2 MW，夏季长期运行的最大出力为1.0 MW，短期运行的最大出力为1.6 MW.预计光伏一期2 MW投产后，该电网的电源总装机容量将达到18.4 MW.因该地区光照资源丰富，实际研究中光伏最大出力取为2.4 MW.根据该地区电力公司的统计数据，2010年度最大负荷为4 300 kW，最小负荷为2 100 kW，35 kV母线侧接有大容量电动机.

3 光伏电站低电压耐受能力要求

《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定（试行）》中，要求大中型光伏电站应具备一定的耐受电压异常的能力，以避免在电网电压异常时与电网脱离，从而引起电网电源的损失，其动作保护整定原理如图2所示.当并网点电压在电压轮廓线（电压折线）及以上的区域内时，光伏电站必须保证不间断地并网运行;并网点电压在轮廓线以下时，允许光伏电站停止向电网线路送电.

图2 光伏电站的动作保护整定原理

在孤立电网中，按照该标准设置光伏逆变器的保护原则，当光伏实际输出电压与光伏额定电压的比值为0.2～0.9时，延时2 s，保护器动作［4］.

4 仿真计算

运用ETAPPowerstation软件对该孤立电网的大容量电动机启动进行仿真，其中并网光伏模块以倒送有功的等效负荷替代，电动机及其负载模型分别采用软件自带的有深槽效应的单笼电机和泵典型参数.

4.1 电动机直接启动

仿真所建系统中，中心变压器10 kV和35 kV母线侧的负荷各为5 MW，水电站及柴油发电厂均为4台机同时运行，光伏电站按最大出力2.4 MW全部投入.水泥厂的一台600 kW电动机在仿真时间1 s直接启动，其感应电机模型和负载模型见图3.由于电动机在仿真时间1 s直接启动，则启动电流的最大值为额定电流的5.7倍，电机电流及35 kV母线侧电压的变化曲线见图4.

由图4 b可知，大容量电动机启动过程中光伏电站35 kV母线侧电压最低为额定值的91.19%，不会引起光伏逆变器低电压保护动作.

图3 感应电机模型与负载模型

图4 电动机直接启动时的电机电流曲线及35 kV母线侧电压的变化曲线

需要说明的是，本仿真结果并不等同于实际情况，因为这里所用的电动机类型、参数和启动方式等条件可能会与实际使用的电动机有较大差别.若电动机启动过程中光伏逆变器低电压保护动作导致光伏电站退出运行，会严重影响电网的安全稳定运行.

4.2 电动机软启动

由于软启动具有较好的启动特性和限制启动电流的功能，因而能够整定电动机启动时的最高电流限定值，减小对设备的冲击，降低母线电压的下降程度，从而提高系统运行的稳定性.特别是对一些较小系统中需要采用降压启动的设备，其效果更明显.由于软启动的起停时间可调，对一般的设备能够实现平稳起停，因此对提高设备的稳定性，减轻对电动机及被拖动设备的冲击都有一定的作用［5］.虽然软启动能够有效改善启动电流［6］，但由于其只能对电源电压进行控制，因而仍属于降压启动的范畴.电动机供电电压的降低意味着转矩成平方倍数的下降，因此软启动仅适用于启动转矩小或轻载启动的场合.

在仿真过程中，设置软启动条件为：电流限制为300%;在2～20 s，负荷从60%到100%以斜坡上升.此时，光伏电站35 kV母线侧电压变化如图5所示.

图5 软启动时35 kV母线侧电压变化曲线

图5中，最低电压为额定值的94.08%，与电动机直接启动情况下的91.19%相比有较大提高.

5 结论

（1）虽然大容量电动机的启动没有造成孤立小电网的失稳，但其直接启动时电流较大，会给电网带来很大的冲击，因此需要考虑采用一些措施来降低电动机启动对电网造成的影响.

（2）建议在光伏电站投入运行前，进行电动机启动实验，以确切了解电动机启动时光伏母线的电压降，并根据实际测得的电压降来设定光伏逆变器低电压保护的整定值，使大容量电动机启动时光伏逆变器低电压保护不动作;或者采取措施，使电动机启动过程中光伏电站的端电压不会大幅下降到其逆变器低电压保护电压定值以下.

［1］王宏生，张建国，张建军.电动机起动对电网电能质量的影响［J］.电气技术，2007（9）：45-47.

［2］翁利民，陈允平，张莉.电压波动与异步电动机起动方式的改进［J］.电机技术，2004（3）：27-30.

［3］王一波，李晶，许洪华，等.考虑电网安全稳定约束的光伏电站最大安装容量计算与分析［J］.太阳能学报，2008，29（8）：971-975.

［4］靳希，张菲菲，王晓峰，等.大容量光伏发电接入对孤立电网稳定性的影响［J］.上海电力学院学报，2011，27（5）：485-489.

［5］胡虔生，胡敏强.电机学［M］.北京：中国电力出版社，2005：175-181.

［6］林辉.异步电动机的软起动技术［J］.电机技术，2010（3）： 32-34.

（编辑白林雪）